Разделение неорганических веществ методом колоночной хроматографии

Цель работы. Разделение хлоридов железа (III), ко­бальта (II) и меди (II) с помощью хроматографической колонки.

Краткие теоретические положения. В данной работе в качестве адсорбента используется оксид алюминия. В его состав входит некоторое количество алюмината натрия. Ионы натрия способны обмениваться на другие катионы, в частности, на ионы Fe³⁺, Cu²⁺ и Со²⁺.

Указанные ионы по их способности обмениваться на ионы натрия располагаются в ряд: Fe³⁺ > Cu²⁺ > Со²⁺. Проходя через слой адсорбента, эти катионы образуют окрашенные зоны, причем в верхней части колонки располагаются ионы Fe³⁺, затем ионы меди (II) и ионы кобальта (II). Для получе­ния более наглядной картины через колонку пропускают затем разбавленный раствор гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆], который образует с указанными ионами соеди­нения, окрашенные в разные цвета.

Приборы и реактивы. 1. Хроматографическая колон­ка. 2. Колба Бунзена. 3. Вакуумный насос. 4. Оксид алю­миния. 5. Растворы FeCl₃, CuCl₂, СоС1₂, ω = 0,1%, разбав­ленный раствор K₄[Fe(CN)₆].

Порядок выполнения работы.

1. Собирают установку для колоночного разделения сме­си. Хроматографическая колонка представляет собой стек­лянную трубку длиной около 25 см, суженную в нижней части. Колонку вставляют в пробку, а пробку — в колбу Бунзена, соединенную с вакуумным насосом (см. рис. 17).

Рис. 17 Установка для хроматогра­фического разделения смеси

2. Колонку наполняют на две трети ее высоты прокаленным оксидом алюми­ния. Для этого в нижнюю часть кладут слой ваты, а затем небольшими порция­ми насыпают оксид алюминия, периоди­чески смачивая его дистиллированной во­дой и отсасывая избыток жидкости. Не­обходимо, чтобы оксид алюминия лежал равномерно, плотно, без пустот и комков.

3. Смешивают по 2 см³ растворов FeCl₃, CuCl₂ и СоС1₂. Полученную смесь выливают в колонку при включенном насосе. Небольшими порциями добавля­ют дистиллированную воду до четкого разделения смеси на 3 окрашенных зоны.

4. Через колонку пропускают раз­бавленный раствор K₄[Fe(CN)₆]. Наблю­дают окраску трех образовавшихся зон.

Форма отчета. Отчет должен содер­жать название и цель работы, краткие теоретические положения, описание хода работы, рисунок хроматографической колонки, вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На чем основан принцип хроматографического разделения смесей?

2. Привести примеры применения хроматографии в промыш­ленности.

3. Что такое хроматограф? Привести примеры использования хроматографии в аналитической практике.

Работа 7. Разделение смеси веществ с помощью бумажной хроматографии

Цели работы. 1. Ознакомление с методикой бумажной хроматографии. 2. Разделение смесей и определение R_f компонентов.

Краткие теоретические положения. В бумажной хро­матографии адсорбентом служит бумага (фильтровальная или специальная хроматографическая). Неподвижной фазой является воздушно-сухая бумага, содержащая около 25% воды. В качестве подвижной фазы обычно применя­ют различные органические растворители и их смеси, менее полярные, чем вода. Хроматографирование на бумаге про­водят в атмосфере насыщенных паров применяемых ра­створителей. После достаточного продвижения фронта растворителя на бумаге процесс заканчивают и бумагу высушивают. При разделении бесцветных веществ хроматограмму опрыскивают (проявляют) реактивом, образую­щим окрашенные соединения с анализируемыми веще­ствами. При этом на хроматограмме образуется ряд цвет­ных пятен, расположенных в определенном порядке.

Разделяемые вещества характеризуют коэффициентом подвижности R_f. Он равен отношению расстояния т, прой­денного растворенным веществом на бумаге, к расстоя­нию п, пройденному фронтом растворителя (рис. 18).

Для качественного анализа бумажных хроматограмм используют «способ свидетелей», нанося на одной и той же полосе бумаги пятно смеси и отдельно пятна набора веществ, присутствие которых в смеси требуется подтвер­дить. После проявления хроматограммы сопоставляют положение пятен «свидетелей» с положением пятен неиз­вестных веществ.

В данной работе для разделения аминокислот исполь­зован метод распределительной хроматографии на бумаге. Метод основан на различной растворимости аминокислот в двух ограниченно смешивающихся жидкостях: воде и смеси бутанола с уксусной кислотой. Вода, связанная с

Рис. 18

Определение R_f компонентов смеси на бумажной хроматограмме: а — восходящая хроматография; б — радиальная хроматография.

бумагой, является неподвижной фазой, органическая смесь — подвижной. Чем больше растворимость амино­кислоты в воде, тем медленнее она двигается по бумаге и наоборот, чем выше ее растворимость в органической сме­си, тем быстрее движется аминокислота, увлекаемая под­вижной фазой.

Раствор исследуемой смеси веществ наносят в виде капли на конец бумажной полоски. Бумагу высушивают. Конец ее ниже места нанесения капли опускают в сосуд с растворителем. При медленном продвижении растворите­ля через поры бумаги вместе с ним перемещаются раство­ренные вещества, которые распределяются между двумя жидкими фазами — водой (неподвижной фазой, связан­ной с бумагой) и органическим растворителем. Разделе­ние компонентов основано на различии их растворимости в водной и органической фазе.

Коэффициент подвижности R_f является константой для каждой аминокислоты при данных условиях опыта (тем­пература, сорт бумаги и др.). Для проявления аминокис­лот после их разделения бумагу обрабатывают раствором нингидрина, с которым аминокислоты образуют окрашен­ные комплексы.

В зависимости от направления движения растворите­ля по бумаге различают нисходящую, восходящую и ра­диальную хроматографии. Так, в настоящей работе для разделения аминокислот использована радиальная, а для разделения компонентов красителей — восходящая бумаж­ная хроматография.

Вариант 1.

РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ КРАСИТЕЛЕЙ

Оборудование и реактивы. 1. Н-бутанол. 2. Этанол. 3. Водный раствор NH₃ (2 моль/дм³). 4. Растворы краси­телей (красные и синие чернила). 5. Широкий стакан. 5. Бумага для хроматографии.

Порядок выполнения работы. Готовят 100 см³ смеси н-бутанола, этанола и раствора аммиака (с = 2,0 моль/дм³) в соотношении 3:1:1 (по объему). Раствор наливают на дно широкого стакана. Вырезают квадратный лист фильтро­вальной бумаги с длиной стороны 20 см, кладут на чис­тый лист писчей бумаги и проводят карандашом стартовую линию на расстоянии 3 см от края одной из сторон. Наносят вдоль линии 3 метки на расстоянии 3 см друг от друга. Смешивают в любых соотношениях растворы кра­сителей, например, красные и синие чернила. С помощью тонкого стеклянного капилляра наносят на отмеченные точки по капле чернильной смеси и отдельно по капле красных и синих чернил. Высушивают бумагу, слабо сво­рачивают ее в цилиндр и закрепляют верх и низ цилиндра скрепками для бумаги. Бумажный цилиндр опускают мет­ками вниз в сосуд с растворителем, так чтобы он не касал­ся стенок. Уровень растворителя должен быть на 1,5 см ниже уровня стартовой линии. Сосуд закрывают крыш­кой. Когда фронт растворителя поднимется на 10-12 см выше стартовой линии (около 1 ч), бумагу вынимают, от­мечают карандашом фронт растворителя и высушивают. Определяют R_f пятен для свидетелей и смеси (см. рис. 18а). Сравнивают коэффициенты подвижности R_f компонентов и сопоставляют их с R_f в смеси.

Вариант 2.

РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ АМИНОКИСЛОТ

Оборудование и реактивы. 1. Стандартные растворы аминокислот. 2. Гидролизат белка. 3. Бутанол. 4. Уксус­ная кислота. 5. Раствор нингидрина. 6. Делительная во­ронка. 7. Чашки Петри. 8. Хроматографическая бумага.

Порядок выполнения работы.

1. Готовят стандартные растворы аминокислот: глута- миновой, соляно-кислого аргинина, аланина и метиони- на, содержащих соответственно 147, 210, 89, 149 мг ами­нокислоты в 100 см³ раствора.

2.Готовят смеси аминокислот или гидролизат белка. Для этого равные объемы стандартных растворов амино­кислот сливают в колбу и перемешивают. Для приготов­ления гидролизата исследуемого белка 1 г сухого тонко измельченного белка помещают в колбу, заливают 20 см³ 20% -ной соляной кислоты и кипятят при слабом нагрева­нии с обратным холодильником в течение 22-24 ч. При нагревании белка с кислотой происходит разрыв пептид­ных связей с присоединением ионов воды, при этом в растворе появляются аминокислоты.

3. Готовят растворитель. Для этого наливают в дели­тельную воронку бутанол, уксусную кислоту и воду в со­отношении 4:1:5 (по объему). После энергичного встряхи­вания в течение 5 мин оставляют воронку в штативе для разделения слоев. Нижний слой (водный) сливают, а верх­ний бутиловоуксуснокислый слой, насыщенный водой, наливают в чашки Петри, которые будут использованы как камеры для радиальной хроматографии.

4. Нарезают листы хроматографической бумаги 12 × 12 см. В центре листа делают отверстие диаметром 3 мм. На расстоянии 5 мм от краев отверстия простым каранда­шом проводят круг — линию старта. Лист делят линиями на 4 сектора. В каждом секторе на линии старта намечают точки старта ǿ 3 мм.

5. В три точки старта наносят микропипетками по 0,02 см³ стандартных растворов аминокислот, в четвер­тую — 0,02 см³ смеси аминокислот или гидролизата бел­ка. Необходимо следить, чтобы капля раствора не расте­калась за пределы точки старта. Каждую последующую порцию наносят после полного высыхания предыдущей.

6. Закончив нанесение растворов, вставляют в отвер­стие «фитилек» из фильтровальной бумаги и помещают хроматограмму на края нижней чашки Петри, фитилек погружают в раствор и накрывают лист второй половиной чашки. Растворитель поднимается по фитильку, продви­гается далее по бумаге и, дойдя до линии старта, увлекает за собой аминокислоты. Скорость движения аминокислот неодинакова, поэтому происходит разделение компонен­тов смеси. Когда растворитель подойдет к краям чашки, отмечают карандашом границу растворителя в секторах, хроматограмму снимают с камеры и высушивают.

7. Высушенную хроматограмму проявляют раствором нингидрина, высушивают в вытяжном шкафу, а затем для ускорения проявления помещают на 5 мин в сушиль­ный шкаф при 100°С.

8.Определяют коэффициенты подвижности R_f амино­кислот. После проявления на хроматограмме появляются фиолетово-красные пятна, расположенные на разном рас­стоянии от линии старта. Измеряют расстояние в милли­метрах, пройденное каждой аминокислотой, от центра точки старта до середины пятна m и расстояние от центра точки старта до линии фронта растворителя в данном сек­торе n (см. рис. 186) и рассчитывают коэффициент под­вижности R_f по формуле: R_f = т/п.

9. Проводят идентификацию аминокислот, содержа­щихся в смеси или гидролизате белка. Для этого нужно сравнить позицию пятна и коэффициент подвижности аминокилоты, содержащейся в смеси, и аминокислоты стандартного раствора (свидетеля). Аминокислоты, пятна которых расположены на одном уровне и имеющие близ­кие R_f считаются идентичными.

Форма отчета. Отчет должен содержать название и цель работы, краткие теоретические положения, описа­ние хода работы, результаты исследований, вывод по про­деланной работе.

Работа 8.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ

Цели работы. 1. Определить углы смачивания пара­фина водой и растворами поверхностно-активных веществ. 2. Сделать вывод о влиянии ПАВ на смачивание поверх­ности парафина.

Краткие теоретические положения. Наиболее простым методом определения краевого угла θ является метод про­ецирования на экран пузырька воздуха, образующегося на поверхности твердого тела, погруженного в жидкость (рис. 19).

рис. 19 Краевой угол смачивания в системах: а — парафин-воздух-раствор ПАВ; б — парафин-воздух-вода

Твердое тело в виде пластинки, поверхность которой тщательно очищена, погружают в жидкость на глубину 3-5 мм от поверхности. С помощью микропипетки с за­гнутым концом под пластинку вводят пузырек воздуха, который проецируется на экран с помощью проекционно­го фонаря. Контур пузырька либо фотографируют, либо обводят карандашом на листе бумаги, закрепленный на экране. Через точку периметра смачивания проводят ка­сательную к поверхности раздела жидкость-газ и опреде­ляют краевой угол θ (со стороны жидкости). Измерения проводят для 3-4 пузырьков, так как точность метода невысока, и берут среднее значение θ. Работу адгезии рас­считывают по формуле (1.18).

Оборудование и реактивы. 1. Кювета с плоскопарал­лельными стенками. 2. Пипетка с загнутым концом. 3. Медная пластинка. 4. Проекционный фонарь. 5. Пара­фин. 6. Раствор ПАВ.

Порядок выполнения работы. Медную пластинку по­крывают тонким ровным слоем парафина. Для этого ее погружают на короткое время в расплавленный парафин и дают стечь его избытку. Закрепляют пластинку в гори­зонтальном положении в кювете с плоскопараллельными стенками, как показано на рис. 20, и ставят на оптиче­скую скамью проекционного фонаря.

В кювету наливают воду так, чтобы парафинированная поверхность пластинки на 3-5 мм была погружена в нее, подводят под пластинку загнутый конец пипетки и выпус­кают из нее пузырек воздуха. Контур пузырька обводят на листе бумаги и измеряют краевой угол θ. Повторяют изме­рения для 3-4 пузырьков.

рис. 20

Установка для измерения угла смачивания:

а — общий вид кюветы с раство­ром; б — вид проекции кюветы на экран;1 — парафинированная пластинка; 2 — изогнутая пипет­ка; 3 — пузырек воздуха.

В следующей серии опытов кювету заполняют разбав­ленным раствором сапонина, олеата натрия, бутилового спирта, жидко моющего средства или другого поверхностно-активного вещества по указанию преподавателя, из­меряют краевой угол и делают вывод о том, как изменяет­ся краевой угол смачивания парафина водой в присут­ствии поверхностно-активных веществ.

Форма отчета. Отчет должен содержать название и описание цели работы, краткие теоретические положения, описание хода работы, рисунок установки для определе­ния краевого угла смачивания, результаты измерения угла смачивания парафина водой и растворами ПАВ, вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приведите уравнение Лапласа, описывающее зависимость краевого угла смачивания от поверхностного натяжения на границах фаз: σ_жг, σ_тж, σ_тг.

2.Опираясь на уравнение Лапласа, дайте ответы на вопросы: а) какая вода — холодная или горячая — лучше смачивает поверхность «жирной» тарелки; б) какая вода чистая или мыльная лучше смачивает поверхность «замасленного» во­рота рубашки.

ГЛАВА ВТОРАЯ